Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von
einem Verfahren zur Überstromabschaltung eines Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode (IGBT) und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss
dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
[0002] Feldgesteuerte Halbleiterschalter, insbesondere Bipolartransistoren mit isoliert
angeordneter Gateelektrode (IGBT), werden derzeit vermehrt in leistungselektronischen
Anwendungen wie in der Stromrichtertechnik und insbesondere in Stromrichtern für elektrische
Antriebe eingesetzt. Diese Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gateelektrode
werden über ihre Gateelektrode mit Hilfe einer Gateelektrodentreiberstufe durch Anlegen
einer entsprechenden Gate-Kathodenspannung angesteuert.
Bei Fehlerfällen in Stromrichteranwendungen kann im Stromrichter in den eingesetzten
Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gateelektrode ein Kurzschluss im Hauptstrompfad
des Stromrichters auftreten. Dieser Strom fliesst zwischen Anode und Kathode des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode. Im Kurzschlussfall steigt dabei der Strom
im Hauptstrompfad sehr schnell auf eine hohe Stromamplitude an, so dass das Stromintegral
über der Zeit unzulässig hohe Werte annimmt. Während dieses auftretenden Überstromes
wird der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode in die Entsättigung
getrieben, wobei die Anoden-Kathodenspannung am Bipolartransistor mit isoliert angeordneter
Gateelektrode schnell ansteigt, insbesondere auf den Wert der zu schaltenden Spannung.
Dadurch wird ein äusserst kritischer Zustand des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode erreicht: Der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode
führt im Hauptstrompfad über die Anode und Kathode einen hohen Strom (Überstrom) bei
gleichzeitig anliegender hoher Anoden-Kathodenspannung. Daraus resultiert eine extrem
hohe momentane Verlustleistung, die den Bipolartransistor mit isoliert angeordneter
Gateelektrode zerstören kann.
[0003] Hinzu kommt, dass über einen kapazitiven Spannungsteiler, der von der Anoden-Gatekapazität
(Miller-Kapazität) und der Gate-Kathodenkapazität gebildet ist, im Kurzschlussfall
des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode die Gate-Kathodenspannung
durch den Anstieg der Anoden-Kathodenspannung während des Entsättigungsvorganges angehoben
wird und der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode zusätzlich
noch in eine höhere Entsättigungskennlinie gesteuert wird. Daraus resultiert eine
weitere Erhöhung des Stromes über die Anode und Kathode (Überstrom), die eine zulässige
Überstromdauer des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode erheblich
verkürzt.
[0004] Eine Überstromschutzschaltungsanordnung für Halbleiterschalter, insbesondere für
Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gateelektrode, wie sie in

Fast Clamped Short Circuit Protection of IGBTs, John, Suh, Lipo, IEEE Applied Power
Electronics Conference, Session 16.3, February 1998" beschrieben ist, überwacht zum
einen die Anoden-Kathodenspannung auf Entsättigung des Bipolartransistors mit isoliert
angeordneter Gateelektrode und misst zum anderen über eine parasitäre Kathodeninduktivität
den Anodenstrom, der über die Stromänderung di/dt des Anodenstromes erfasst und aufintegriert
wird.
Eine solche Lösung eignet sich jedoch nicht für gängige niederinduktive Bipolartransistoren
mit isoliert angeordneter Gateelektrode, die durch viele parallele Strompfade im Bipolartransistor
mit isoliert angeordneter Gateelektrode gekennzeichnet sind und für hohe Schaltspannungen
ausgelegt sind. Mit einer di/dt Erfassung, wie sie in der oben genannten Schrift beschrieben
ist, könnte immer nur ein Teil der Kathodeninduktivität und somit nur ein Teilstrom
im Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode überwacht werden, was
zu einem sehr kleinem Nutzsignal führen würde, das zudem stark von hohen Schaltspannungen
beeinflusst werden würde.
Darstellung der Erfindung
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Überstromabschaltung eines
Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) anzugeben, durch
welches beim Auftreten eines Überstromes zwischen Anode und Kathode des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode die Amplitude des Stromes und der Momentanwert
der Verlustleistung reduziert wird und der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter
Gateelektrode abgeschaltet wird, sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit der das Verfahren
in besonders einfacher Weise durchgeführt wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Untersansprüchen angegegben.
[0006] Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Gate-Kathodenspannung mittels einer Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung
auf einen einstellbaren Schwellwert hin überwacht und bei Ansprechen der Überwachung
auf Überschreiten des Schwellwertes unmittelbar auf einen einstellbaren Wert reduziert.
Dadurch wird der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode vorteilhaft
auf eine niedrige Entsättigungskennlinie ausgesteuert und somit der unerwünschte Überstrom
zwischen Anode und Kathode des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode
reduziert und die Verlustleistung gesenkt. Darüberhinaus wird das Gate-Oxid des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode durch die Reduzierung der Gate-Kathodenspannung
vor Zerstörung durch Überspannung geschützt.
[0007] Die Reduzierung der Gate-Kathodenspannung erfolgt zum einen so, dass der einstellbare
Wert der Gate-Kathodenspannung so eingestellt wird, dass die reduzierte Gate-Kathodenspannung
den Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode und somit den unerwünschten
Überstrom direkt ohne Zwischenschritt abschaltet. Zum anderen wird ein Rückmeldesignal
bei Entsättigung des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode mittels
einer die Anoden-Kathodenspannung auf Entsättigung überwachende Entsättigungsüberwachungseinrichtung
an eine Gateelektrodentreiberstufe gesendet. Aufgrund dieses Rückmeldesignals wird
die reduzierte Gate-Kathodenspannung von der Gateelektrodentreiberstufe in einem zweiten
Schritt so weit reduziert, dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode
abgeschaltet wird.
Durch dieses zweistufige Vorgehen in der Reduzierung der Gate-Kathodenspannung wird
eine sehr hohe Störsicherheit erreicht und der Schwellwert der Überwachung der Gate-Kathodenspannung
kann sehr nahe an den Betriebswert der Gate-Kathodenspannung gelegt werden, wodurch
eine optimale Entlastung des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode
bei einem auftretenden Überstrom gewährleistet ist.
[0008] Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine erfindungsgemässe Gate-Kathodenspannungsüberwachungeinrichtung
auf, die vorteilhafterweise parallel zur Gateelektrodentreiberstufe zwischen der Gateelektrode
und der Kathode in Verbindung angeordnet ist. Die Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung
umfasst eine Vergleicherschaltung mit einer Hysteresecharakteristik. Die Vergleicherschaltung
weist einen Vergleicher auf, der in Verbindung mit einem eingangsseitigen Spannungsteiler
und damit verbundener Referenzspannungsquelle und mit einem eingangsseitigen Gate-Kathodenspannungsteiler
mit zwischen geschaltetem Eingangswiderstand angeordnet ist. Durch diese Beschaltung
des Vergleichers wird vorteilhaft der Schwellwert der Gate-Kathodenspannung festgelegt.
Erfindungsgemäss ist der Vergleicher ausgangsseitig in Verbindung mit einem Pull-up-Widerstand
und einer damit verbundenen Versorgungsspannungsquelle und mit einem Transistor und
damit verbundener Zenerdiode angeordnet. So kann vorteilhaft der einstellbare Wert,
auf den die Gate-Kathodenspannung reduziert werden soll, sehr einfach eingestellt
werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0009] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
der Zeichnung näher erläutert.
[0010] Es zeigen
- Fig. 1
- eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Überstromabschaltung
eines Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) und
- Fig.2
- eine Ausführungsform einer Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung.
[0011] Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste
zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0012] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens zur Überstromabschaltung eines Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode (IGBT). Die Vorrichtung umfasst eine Gateelektrodentreiberstufe 1, die
in Verbindung zwischen Gateelektrode 3 und Kathode 7 des Bipolartransistors mit isoliert
angeordneter Gateelektrode 4 angeordnet ist und den Bipolartransistor mit isoliert
angeordneter Gateelektrode 4 in gängiger Weise über die Gateelektrode 3 durch Anlegen
einer Gate-Kathodenspannung ansteuert.
Erfindungsgemäss weist die Vorrichtung gemäss Fig. 1 eine Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung
2 auf, die parallel zur Gateelektrodentreiberstufe 1 zwischen der Gateelektrode 3
und der Kathode 7 in Verbindung angeordnet ist.
[0013] Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Überstromabschaltung des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) wird die Gate-Kathodenspannung von
der Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung auf einen einstellbaren Schwellwert
hin überwacht. Fliesst im Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode
4 ein Überstrom zwischen der Anode 5 und der Kathode 7, wie er durch einen Kurzschluss
in einem Hauptstrompfad eines Stromrichters auftreten kann und der Bipolartransistor
mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 in diesem Hauptstrompfad über die Anode
5 und Kathode 7 angeordnet ist, so steigt mit dem Strom zwischen Anode 5 und Kathode
7 die Gate-Kathodenspannung an. Überschreitet die Gate-Kathodenspannung, hervorgerufen
durch einen eingangs erwähnten Überstrom, den einstellbaren Schwellwert, so spricht
die Überwachung auf Überschreiten des Schwellwertes an und die Gate-Kathodenspannung
wird unmittelbar auf einen einstellbaren Wert reduziert. Dadurch kann vorteilhaft
erreicht werden, dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode
4 in eine niedrigere Entsättigungskennlinie gesteuert wird und somit der auftretende
Überstrom zwischen Anode 5 und Katode 7 reduziert wird. Darüberhinaus wird das Gate-Oxid
des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 durch die Reduzierung
der Gate-Kathodenspannung vor Zerstörung durch Überspannung geschützt. Weiterhin wird
durch die sofortige Reduzierung der Gate-Kathodenspannung und die damit einhergehende
schnelle Reduzierung der Stromamplitude die momentane Verlustleistung gesenkt.
Vorteilhaft wird der einstellbare Wert der Gate-Kathodenspannung, auf welchen die
Gate-Kathodenspannung reduziert werden soll, so eingestellt, dass die reduzierte Gate-Kathodenspannung
den Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 unmittelbar abschaltet.
Durch dieses einstufige Vorgehen wird der zwischen Anode 5 und Kathode 7 auftretende
Überstrom schnellstmöglich abgeschaltet.
[0014] Eine weitere Möglichkeit des erfindungsgemässen Verfahrens ist die zweistufige Reduzierung
der Gate-Kathodenspannung. Das zweistufige Vorgehen besteht darin, dass eine die Anoden-Kathodenspannung
des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 auf Entsättigung
überwachende Entsättigungsüberwachungseinrichtung 6 bei Entsättigung des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 ein Rückmeldesignal 8 erzeugt, das an die
Gateelektrodentreiberstufe 1 gesendet wird. Auf dieses Rückmeldesignal 8 hin wird
dann die bereits reduzierte Gate-Kathodenspannung in einem zweiten Schritt so weit
reduziert, dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 und
somit der Überstrom zwischen Anode 5 und Kathode 7 abgeschaltet wird.
Durch dieses zweistufige Vorgehen wird eine extrem hohe Störsicherheit erreicht, wodurch
der Schwellwert der Gate-Kathodenspannung zur Überwachung derselben sehr nahe an den
normalen Betriebswert der Gate-Kathodenspannung für den Schaltzustand

Einschalten" des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 gelegt
werden kann. Daraus resultiert eine optimale Entlastung des Bipolartransistors mit
isoliert angeordneter Gateelektrode 4 bei einem auftretenden Überstrom zwischen Anode
5 und Kathode 7.
[0015] Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst die eingangs
erwähnte Entsättigungsüberwachungseinrichtung 6. Diese ist zwischen Anode 5 und Kathode
7 des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 in Verbindung angeordnet
und dient der Überwachung auf Entsättigung des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode 4 durch Messung der Anoden-Kathodenspannung. Weiterhin ist die Entsättigungsüberwachungseinrichtung
6 mit der Gateelektrodentreiberstufe 1 verbunden.
Die eingangs erwähnte Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung 2 umfasst gemäss
Fig. 2 eine Vergleicherschaltung mit Hysteresecharakteristik. Dabei weist die Vergleicherschaltung
einen Vergleicher 10 auf, der in Verbindung mit einem eingangsseitigen Spannungsteiler
17 angeordnet ist. Am Spannungsteiler 17 ist eine Referenzspannungsquelle 18 angeordnet.
Zudem ist der Vergleicher 10 eingangsseitig mit einem Gate-Kathodenspannungsteiler
19 und zwischengeschaltetem Eingangswiderstand 9 in Verbindung angeordnet. Durch diese
Beschaltung des Vergleichers 10 lässt sich der Schwellwert, auf den die Gate-Kathodenspannung
überwacht wird, mit Hilfe der Widerstandsverhältnisse des Spannungsteilers 17 und
der Referenzspannungsquelle 18 sowie mit Hilfe der Widerstandsverhältnisse des Gate-Kathodenspannungsteilers
19 mit dem Eingangswiderstand 9 in besonders einfacher Weise auf einen gewünschten
Wert einstellen.
Ausgangsseitig ist der Vergleicher 10 gemäss Fig. 2 in Verbindung mit einem Pull-up-Widerstand
11 und einer damit verbundenen Versorgungsspannungsquelle 12 angeordnet. Zusätzlich
ist ein Transistor 14 und damit verbundener Zenerdiode 13 in Verbindung mit dem Ausgang
des Vergleichers 10 angeordnet. Desweiteren ist der Transistor 14 mit einer Transistordiode
20 verbunden, die in sperrendem Zustand des Transitors 14 die Sperrfähigkeit des Transistors
14 erhöht. Durch diese ausgangsseitige Beschaltung des Vergleichers 10 mittels der
erwähnten elektronischen Bauteile 11, 12, 13, 14, 20 und der Wahl der Bauteilgrössen
wird der einstellbare Wert der Gate-Kathodenspannung, auf welchen die Gate-Kathodenspannung
bei Überschreiten des Schwellwertes reduziert werden soll, eingestellt. Zwischen einem
Eingang des Vergleichers 10 und seinem Ausgang ist eine Diode 15 und damit verbundenem
Widerstand 16 in Verbindung angeordnet. Diese Beschaltung dient dazu, durch Ändern
des Widerstandsverhältnis des Widerstands 16 und des Spannungsteilers 17 über die
Diode 15 eine Abschaltschwelle der Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung 2
bei Erreichen des einstellbaren Wertes der Gate-Kathodenspannung zu definieren.
[0016] Mittels der beschriebenen eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Beschaltung des
Vergleichers 10 wird die gewünschte Hysteresecharakteristik der Vergleicherschaltung
erreicht. Durch die Hysteresecharkteristik der Vergleicherschaltung ist es sehr einfach
möglich, den Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 auf den Schwellwert
der Gate-Kathodenspannung hin zu überwachen und bei Überschreiten dieses Schwellwertes
auf den einstellbaren Wert der Gate-Kathodenspannung zu reduzieren. Dadurch wird eine
Reduzierung der Stromamplitude des auftretenden Überstromes zwischen Anode 5 und Kathode
7 des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 und somit die Reduzierung
der momentanen Verlustleistung erreicht. Desweiteren ermöglicht die Vergleicherschaltung,
den Wert, auf den die Gate-Kathodenspannung reduziert werden soll, so einzustellen,
dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode 4 unmittelbar abgeschaltet
werden kann.
Die Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung 2 und die Entsättigungsüberwachungseinrichtung
6 ermöglichen weiterhin, dass die bereits reduzierte Gate-Kathodenspannung so weit
reduziert wird, dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode
4 und damit ein auftretender Überstrom abgeschaltet werden kann.
Bezugszeichenliste
[0017]
- 1
- Gateelektrodentreibersufe
- 2
- Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung
- 3
- Gateelektrode
- 4
- IGBT
- 5
- Anode
- 6
- Entsättigungsüberwachungseinrichtung
- 7
- Kathode
- 8
- Rückmeldesignal
- 9
- Eingangswiderstand
- 10
- Vergleicher
- 11
- Pull-up-Widerstand
- 12
- Versorgungsspannungsquelle
- 13
- Zenerdiode
- 14
- Transistor
- 15
- Diode
- 16
- Widerstand
- 17
- Spannungsteiler
- 18
- Referenzspannungsquelle
- 19
- Gate-Kathodenspannungsteiler
- 20
- Transistordiode
1. Verfahren zur Überstromabschaltung eines Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode (IGBT) (4), welcher mittels einer die Gate-Kathodenspannung zwischen
Gateelektrode (3) und Kathode (7) anlegenden Gateelektrodentreiberstufe (1) angesteuert
wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gate-Kathodenspannung mittels einer Gate-Kachodenspannungsüberwachungseinrichtung
(2) auf einen einstellbaren Schwellwert hin überwacht wird und bei Ansprechen der
Überwachung auf Überschreiten des Schwellwertes unmittelbar auf einen einstellbaren
Wert reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Wert der
Gate-Kathodenspannung so eingestellt wird, dass die reduzierte Gate-Kathodenspannung
den Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (4) unmittelbar abschaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Anoden-Kathodenspannung
des Bipolartransistor mit isoliert angeordneter Gateelektrode (4) auf Entsättigung
überwachende Entsättigungsüberwachungseinrichtung (6) ein Rückmeldesignal (8) erzeugt
und das Rückmeldesignal (8) an die Gateelektrodentreiberstufe (1) gesendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Rückmeldesignal
(8) die Gateelektrodentreiberstufe (1) die reduzierte Gate-Kathodenspannung in einem
zweiten Schritt so weit reduziert, dass der Bipolartransistor mit isoliert angeordneter
Gateelektrode (4) abgeschaltet wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Überstromabschaltung eines Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode (IGBT) (4), welche eine Gateelektrodentreiberstufe
(1) umfasst und in Verbindung zwischen Gateelektrode (3) und Kathode (7) des Bipolartransistors
mit isoliert angeordneter Gateelektrode (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Gate-Kathodenspannungsüberwachungseinrichtung (2), die eine Vergleicherschaltung
mit einer Hysteresecharakteristik aufweist, parallel zur Gateelektrodentreiberstufe
(1) zwischen der Gateelektrode (3) und der Kathode (7) in Verbindung angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleicherschaltung
einen Vergleicher (10) aufweist, der in Verbindung mit einem eingangsseitigen Spannungsteiler
(17) und damit verbundener Referenzspannungsquelle (18) und mit einem eingangsseitigen
Gate-Kathodenspannungsteiler (19) mit zwischengeschaltetem Eingangswiderstand (9)
angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher (10) ausgangsseitig
in Verbindung mit einem Pull-up-Widerstand (11) und einer damit verbundenen Versorgungsspannungsquelle
(12) und mit einem Transistor (14) und damit verbundener Zenerdiode (13) angeordnet
ist, wobei der Transistor (14) zusätzlich mit einer Transistordiode (20) verbunden
ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Eingang des
Vergleichers (10) und seinem Ausgang eine Diode (15) mit damit verbundenem Widerstand
(16) in Verbindung angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entsättigungsüberwachungseinrichtung
(6) zwischen Anode (5) und Kathode (7) des Bipolartransistors mit isoliert angeordneter
Gateelektrode (4) in Verbindung angeordnet und mit der Gateelektrodentreiberstufe
(1) verbunden ist.